穆斯堡尔效应的应用

1、指一种原子核无反冲的Y射线共振散射或吸收的现象。德国物理学家R.L.穆斯堡尔于1957年1958年间在观察19 ilr (129keV)的Y射线共振本底时首先发现这种现象，并在 理论上作了解释。一个自由原子核发射或吸收Y光子时，原 子核要受到反冲，反冲能量损失，发射谱或吸收谱便产生偏 差，对大部分核辐射，难以实现共振吸收。若原子核被束缚 在品体点阵上，品体质量远大于一个原子核的质量，发射或 吸收Y光子时，整个品体反冲，反冲能量将显著减小，容易 观察到共振吸收现象。这就是所谓无反冲Y共振吸收。但实 际上点阵振动状态是量子化的，在反冲能量小于点阵振动的 能级间隔时，它将被整个品体吸收。所以穆斯堡尔

2、效应又称 零声子发射和吸收。迄今为止，已经观察到的穆斯堡尔效应 有40多种元素，80多种核素，100多条穆斯堡尔跃迁线。 这些核素称为穆斯堡尔核。其中最常用的是57Fe (14.4keV) 和119Sn (23.8keV)，括号内为Y光子的能量。无反冲Y射 线最主要特点是谱线的宽度接近于核能级宽度，这表明它具 有极高的Y射线能量分辨率，因此能观察到原子核能级的超 精细结构。在共振实验中，由于源同吸收体的化学环境的差 异，原子核外s电子电荷密度发生变化，它与原子核电荷的 相互作用使跃迁能量相应变化，其差值表现为能量位移。称 为同质异能位移或化学位移。自旋大于1/2的核，电荷分布 非球形对称，核具

3、有电四极矩，它与核所处的电场梯度发生 相互作用，核能级便产生四级分裂。自旋大于零的核，具有 核磁矩，它与核所处的内磁场相互作用，核能级就产生分裂。 在穆斯堡尔谱中可以清楚地分辨这些超精细相互作用引起 的位移和分裂。若已知核周围环境的电磁结构，则可以研究 核的特性；反之，若核的性质已知，由测量结果可以推得核 周围环境的电磁结构，即利用穆斯堡尔核，能探测物质的微 观结构。利用多普勒速度扫描可以实现共振吸收测量，这种装置 称为穆斯堡尔谱仪。由该仪器能获得穆斯堡尔谱透过吸 收体的Y射线光子数对多普勒速度的函数。上图是一个典型 的穆斯堡尔谱，凹峰表示最大共振吸收发生的位置，它与机 械零速度的速度差值反映

4、了吸收体相对于源的化学位移6。穆斯堡尔效应的各种应用，通称为穆斯堡尔谱学。它几 乎涉及所有自然科学领域。20世纪60年代，物理学家用穆 斯堡尔效应在地面上测量了源同吸收体在高度上相距22.5 米时的Y射线能量位移，在1%的精度内验证了重力位移效应 和爱因斯坦等效原理，并发现谱线随温度移动（热红移）。有些物理学家把这类实验看成是相对论时间效应的一个验 证。在核物理方面，穆斯堡尔谱学可以用来测量核激发态的 磁矩、电四极矩；也可以由谱线宽度确定核能级寿命；由能 量位移确定激发态和基态间核电荷半径的相对变化。凝聚态 物理方面，测量无反冲过程的几率可用于固体的点阵动力学 的研究；磁超精细相互作用对磁有序

5、材料，如铁磁、亚铁磁 和反铁磁的研究，可以确定物质磁结构；根据内磁场随温度 变化，可以确定磁有序化温度、鉴定含铁物相、相变研究。 穆斯堡尔谱学还可用来研究高压对材料性质的影响；在极低 温度下，用来研究超导性质的转变及化学成份与超导性的关 系。在化学上，可用来研究穆斯堡尔原子的电子组态，并可 以获得化学价键方面的知识，以及研究锡、钛金属有机化合 物。在生物科学方面，利用穆斯堡尔效应可研究血红素蛋自、 铁硫蛋白、贮铁及转移铁的蛋白等结构和性质。穆斯堡尔效应的应用穆斯堡尔效应是原子核无反冲的诚寸线的发射和吸收，在本质上也是一种核磁共振。它 可以用来研究原子核与核外环境的超精细相互作用，从而分析物质的

6、微观结构。原子核外的 环境影响原子核的超精细能级，进而影响穆斯堡尔谱。因此，研究穆斯堡尔谱可以得到原子 核的超精细场（内场）、原子的价态、对称性等方面的数据。在固体物理、生物、化学等领 域有着广泛的应用。下面主要就其在分析磁有序化材料结构中的应用做简单介绍。材料磁性的研究已成为穆斯堡尔谱学最经常应用的领域之一。而对于研究磁性材料来说，57Fe的穆斯堡尔效应有着特殊的重要性。其原因为：Fe是磁性材料中普遍存在的成分。许多含Fe的磁有序化合物具有较高的德拜温度，可以在较高的温度下观察57Fe 的共振。57Fe的激发态核有相当长的寿命和相当窄的共振线宽，核自旋小及核磁矩大，便 于研究超精细结构。产生

7、57Fe的57Co具有较长的半衰期（270天），是可以采用大量生产的高质量放 射源。穆斯堡尔效应在分析磁有序物质结构中的应用可以概括为以下几个方面：确定磁有序度类型确定磁有序化转变温度相成分的分析相变的分析确定晶位分布确定磁有序度类型穆斯堡尔谱线的强度与内磁场Hi和y射线传播方向的夹角有关。在纯四极距效应中， 谱线强度与电场梯度的主轴方向和Y射线传播方向的夹角有关。它们的关系如下表所示：跃迁3/2 1/2纯塞曼谱线强度的角度依赖 关系纯电四极相互作用强度的角 度依赖关系1/2 一 1/2mm1/2 一 1/2表中Om及Oq分别为内场及电场梯度的主轴方向和y射线传播方向的夹角。因此，可 以通过在

8、不同方向加外磁场及梯度电场时穆斯堡尔谱线中各峰强度比的变化，判断原子磁矩 有序化的情况。下面将给出几个例子：如对于多晶的铁磁样品，当外场He=0时，由于多晶多畴，原子磁矩分布在空间的各个 方向上。根据上表给出的角度关系，在全空间平均，从而得到谱线中各峰的强度比为3： 2： 1: 1: 2： 3。下图中外磁场He是沿y射线的传播方向。这时的外磁场相当强，是样品达到饱和磁化。因此，谱线各峰的强度比为3： 0： 1： 1： 0： 3。对应的Om=0o下图中外强磁场是加在与y射线传播相垂直的方向上。谱线各峰的强度比为3： 4： 1：1： 4： 3。它对应于Om=90o对于亚铁磁体，当铁原子分别处于两套

9、亚点阵中时，将出现两套亚点阵谱。在不加外 磁场时，他们的谱线均为右上图所示的3： 2： 1： 1： 2： 3。加磁场时样品饱和磁化时，由于两套亚点阵的内磁场分别平行及反平行于外磁场，他们的穆斯堡尔谱如右下图所示为3： 0： 1： 1： 0： 3。对于反铁磁体，加外磁场通常很少影响谱线的强度，这是因为在一般强度的外场中不会 发生显著的自旋极化，如果采用单晶样品，或同时利用极化Y射线技术，可以得到关于自旋 取向的更多资料，特别是对于复杂的磁结构情况，如非共线反铁磁体和自旋冲排列结构等。确定磁有序化转变温度磁有序化转变是原子磁矩有序排列与混乱取向之间的转变。因此，测量内磁场随温度的 变化可以确定磁有

10、序化温度。通常使用顺磁态时最强的吸收谱线与温度的函数关系曲线的突 变处来表示此有序化温度。如果已测定材料系统的校准点，就可利用测量的磁转变温度来确定材料系统中样品的成 分。例如，使用熔融技术生长单晶体时，生长晶体的成分常常是不确知的，把测得的转变温 度值与成分一致的样品的同类数据进行比较，便可确定化学成分。下图给出ScFeO3的多晶体分别在296K及5K时的穆斯堡尔谱线。而下图是ScFeO3的穆斯堡尔谱顺磁态最高能量谱线与温度的关系。可根据它的顺磁状态能量最高的吸收谱线的温度依赖关系，得到该样品的磁有序化温度为39K相成分的分析对于表示磁性材料的特征来说，穆斯堡尔谱学有相当普遍的应用，其中包括

11、对固态物相 的鉴定。如果材料不止一种含铁的相。那么每一种相都对应他自己的穆斯堡尔谱。可与已知相的 穆斯堡尔标准谱相比较。这与采用X射线衍射图样分析的方法是一致的。当然，穆斯堡尔 谱学在这方面的应用远不及X射线衍射那样普遍。但穆斯堡尔效应的灵敏度高，可以检测 到有些X射线检测不出来的第二相。另一种方法，是用最小二乘法，用洛仑兹拟合实验谱线，从而获得材料中各种成分的情 况。例如：联系到月岩样品的穆斯堡尔谱学的研究，制备了含有少量Fe3+和Mg2+的钛铁矿 样品。在这些固溶体系统中，为了得到单相材料，必须使用很低的氧分压，如果氧分压太高， 则将得到FeTiO5-(Fe,Mg)Ti2O5固溶体系统中的

12、第二种相。当温度为1200摄氏度和处于较 低真空条件下所烧结的样品的穆斯堡尔谱如下页图1所示。两条强的共振线是由FeTiO3中 的Fe3+形成的。由铁板钛矿（Fe2TiO5）结构中的Fe2+形成的吸收线也是十分清楚地。要得到真正的单相材料，必须把样品在1200摄氏度、大约10-8托的真空中烧结。图2 示出在这样条件下样品的穆斯堡尔谱，成分为FeTiO3,用最小二乘法，把这个谱用洛伦兹 型拟合，可看出，没有第二种物相痕迹.相变通过确定超精细参量和温度之间的关系，常常可以确定相变。例如，在晶体结构或原子 占位对称性较低的情况下，也常常出现相当大的电四极矩效应。根据实验谱线可以求出电四 极相互作用能AEQ，当AEQ随温度出现突变时，可以确定在这个温度晶体结构发生了改变。确定晶位的分布在固溶体和化合物中，同种原子或离子可能占据几种晶位。如在柘榴石铁氧体中，Fe3+ 离子可能占据八面体位置和四面体位置。确定该原子或离子在不同晶位中的占有率对研究磁 性材料具有很大意义。若所有的点阵具有同样的无反冲分数f,那么，某一相的谱线分量的总强度（谱线面积） 应该与其中